Tại sao việc sử dụng tấm than chì lại làm mát một số dự án hơn 10°C? Trong khi những người khác hầu như không có thay đổi?

Trong những năm gần đây, thuật ngữ ' tấm than chì dẫn nhiệt ' ngày càng trở nên phổ biến trong giới điện tử, cung cấp điện và năng lượng mới:

- Điện thoại thông minh và máy tính bảng ngày càng mỏng hơn nhưng lại tạo ra nhiều nhiệt hơn;

- Bộ điều khiển tích hợp và hệ thống BMS lưu trữ năng lượng có công suất cao hơn nhưng cấu trúc của chúng liên tục bị nén;

- Các thử nghiệm lão hóa ở nhiệt độ cao cho bo mạch và mô-đun nguồn thường gặp điểm nghẽn ở khoảng 80°C đến 90°C.

Nhiều kỹ sư đã nghe những tuyên bố như: 'Dán một tấm than chì có độ dẫn nhiệt cao và nhiệt độ sẽ giảm hơn 10°C ngay lập tức.' Tuy nhiên, trải nghiệm dự án trong thế giới thực có tính phân cực cao:

- Một số dự án: Sau khi lắp đặt các tấm than chì, nhiệt độ đỉnh giảm đáng kể, các thử nghiệm lão hóa ở nhiệt độ cao diễn ra suôn sẻ;

- Các dự án khác: Ngay cả khi áp dụng nhiều tấm than chì, nhiệt độ hầu như không thay đổi, dẫn đến những nghi ngờ như 'Có phải các tấm than chì chỉ là một mánh lới quảng cáo?'

Tại sao lại có sự khác biệt lớn về hiệu quả khi áp dụng các tấm than chì? Vấn đề nằm ở bản thân vật liệu hay cách sử dụng nó?

I. Đầu tiên, hãy hiểu: Tấm than chì dẫn nhiệt chính xác có tác dụng gì?

Hãy chia nhỏ chức năng cốt lõi trong một câu:

Các tấm than chì không phải là 'thiết bị làm mát kỳ diệu'—chúng chỉ đơn giản là tạo ra một đường dẫn nhiệt nhanh hơn, dài hơn để tiêu tan nhiệt.

Trong một bo mạch/mô-đun nguồn/bộ điều khiển trên bo mạch điển hình, đường truyền nhiệt chung là: Các bộ phận sinh nhiệt (chip, MOSFET, IC, v.v.) → Vật liệu dẫn nhiệt trung gian (tấm than chì, miếng đệm nhiệt, bộ phận đồng/nhôm, v.v.) → Vỏ kim loại/tản nhiệt/tấm lạnh → Không khí hoặc các nguồn lạnh khác

Giá trị của tấm than chì dẫn nhiệt chủ yếu nằm ở hai khía cạnh:

1. Độ dẫn nhiệt trong mặt phẳng vượt trội

Các tấm than chì nhân tạo phổ biến ngày nay có độ dẫn nhiệt trong mặt phẳng từ vài trăm đến hơn 1.000 W/m·K, với một số mẫu cao cấp đạt gần 2.000 W/m·K trong các điều kiện thử nghiệm cụ thể (điều này đặc biệt đề cập đến hiệu suất nhiệt phẳng, thay đổi tùy theo sản phẩm). Điều này có nghĩa là họ có thể nhanh chóng lan truyền các điểm nóng cục bộ trên một khu vực rộng lớn hơn.

2. Mỏng, nhẹ, có thể cắt theo khuôn và dễ gắn

Với độ dày chỉ hàng chục micromet hoặc thậm chí mỏng hơn, chúng có thể vừa khít giữa các bộ phận và vỏ máy, hoặc giữa mặt sau của bo mạch và các bộ phận kim loại—hầu như không chiếm và tăng thêm trọng lượng không đáng kể.

Nói một cách đơn giản:

Chip nhỏ nên nhiệt dễ tập trung; Các tấm than chì mỏng và có thể được làm lớn, giúp truyền nhiệt trên diện tích rộng hơn để tản nhiệt hiệu quả hơn qua các bề mặt làm mát lớn hơn.

Tuy nhiên, điều này phụ thuộc vào một tiền đề quan trọng:

'Đường dẫn nhiệt' bạn tạo bằng tấm than chì phải không bị cản trở.

II. Tại sao một số dự án thấy khả năng làm mát đáng kể trong khi những dự án khác thì không?

Hiệu quả của tấm than chì phụ thuộc vào bốn yếu tố chính: Vật liệu, Đường dẫn, Tiếp xúc và Ranh giới (viết tắt là 'Cai, Lu, Jie, Bian' trong tiếng Trung).

1. 'Chất liệu': Lựa chọn xác định giới hạn trên ngay từ đầu

Một sự hiểu lầm phổ biến trong ngành xuất phát từ cụm từ: 'Tất cả các tấm than chì đều giống nhau—chỉ cần mua một tấm rẻ tiền và kiểm tra nó.' Trên thực tế, các tấm than chì từ các nhà sản xuất khác nhau rất khác nhau:

- Độ dẫn nhiệt trong mặt phẳng: Từ vài trăm W/m·K đến trên 1.000 W/m·K trở lên;

- Độ dày: Từ 0,1–0,2 mm đến chỉ chục micromet;

- Tính linh hoạt, sự hiện diện của lớp cách điện và lớp nền tự dính cũng khác nhau.

Nếu một dự án có:

- Công suất cao,

- Mật độ dòng nhiệt cao,

- Không gian kết cấu chặt chẽ,

nhưng sử dụng tấm than chì có độ dẫn nhiệt trung bình và độ dày quá cao thì hiệu quả làm mát chắc chắn sẽ bị hạn chế.

Ngược lại, nếu trong quá trình đánh giá sơ đồ, bạn chọn một tấm than chì có độ dẫn nhiệt trong mặt phẳng cao hơn, độ dày mỏng hơn và vừa khít hơn dựa trên những hạn chế về điện năng và , thì cùng một 'tấm đơn' có thể mang lại những kết quả khác biệt đáng kể.

Tự kiểm tra lần đầu: Độ dẫn nhiệt và độ dày của tấm than chì tôi đang sử dụng là bao nhiêu? Nó có phù hợp với yêu cầu về năng lượng và của dự án của tôi không?

2. 'Đường dẫn': Đường dẫn nhiệt phải kết nối 'Điểm phát sóng' với 'Bề mặt làm mát'

Vấn đề phổ biến thứ hai là đường dẫn nhiệt không bị gián đoạn. Tình huống điển hình: Các kỹ sư gắn các tấm than chì ngay phía trên chip hoặc che phủ một khu vực nhỏ của bảng mạch, nhưng các tấm này không mở rộng để tiếp xúc với vỏ kim loại/tản nhiệt/tấm lạnh.

Cách sử dụng này chỉ bổ sung thêm một 'lớp bánh sandwich' trên điểm phát sóng—nhiệt vẫn bị giữ lại cục bộ và không thể thoát ra khỏi khu vực nhỏ, dẫn đến nhiệt độ hầu như không giảm.

Ngược lại, những thiết kế hiệu quả thường:

Mở rộng các tấm than chì từ điểm nóng đến thành phần kim loại có diện tích lớn hơn, mát hơn;

Đảm bảo đường dẫn phủ sóng liên tục mà không bị 'ngắt';

Tránh chỉ gắn vào những khu vực 'tiện lợi nhưng không làm mát'.

Tự kiểm tra lần thứ hai: Tấm than chì của tôi có bao phủ cả điểm phát sóng và thực sự 'kết nối với' bề mặt làm mát không? Hay nó chỉ được gắn ở nơi dễ dán?

3. 'Liên hệ': Chất lượng trái phiếu quyết định thành công hay thất bại

Truyền nhiệt ghét những 'khoảng trống'. Ngay cả khi tấm than chì có tính dẫn nhiệt tuyệt vời:

Nếu bề mặt của các bộ phận, bo mạch hoặc vỏ không bằng phẳng;

Nếu tấm than chì bị treo, phồng lên hoặc bị cong vênh ở các cạnh;

Nếu lực nén không đủ hoặc dung sai lắp ráp được kiểm soát kém,

khả năng chịu nhiệt của giao diện sẽ cực kỳ cao và lợi thế của tấm than chì sẽ bị phủ nhận phần lớn.

Một 'trường hợp thất bại' thường gặp:

Các mẫu được ép bằng tay hoạt động tốt trong quá trình tạo mẫu;

Khi được sản xuất hàng loạt, những sai lệch trong phương pháp liên kết, áp suất hoặc vị trí dẫn đến kết quả kiểm tra nhiệt độ khác biệt đáng kể so với nguyên mẫu.

Tự kiểm tra lần thứ ba: Tấm than chì có thực sự 'chặt' giữa bộ phận và vỏ hay chỉ 'bị kẹt và dường như được gắn chặt'?

4. 'Ranh giới': Cuối cùng thì ai sẽ chịu được sức nóng từ tấm than chì?

Liên kết cuối cùng là điều kiện biên. Các tấm than chì truyền nhiệt từ những khu vực nhỏ, nhưng nhiệt cuối cùng phải được tiêu tán bằng cách:

Vỏ kim loại diện tích lớn, khung kim loại, tản nhiệt, tấm lạnh, v.v.;

Khu vực có khả năng làm mát không khí cưỡng bức hoặc đối lưu tự nhiên tốt.

Nếu nhiệt cuối cùng được truyền tới:

Một bộ phận kết cấu dẫn điện kém và tự nó tạo ra nhiệt;

Một thành phần nhựa nhỏ;

Một khu vực bên trong hầu như không có luồng không khí lưu thông,

kết quả sẽ là: 'Nhiệt lan tỏa một chút, nhưng môi trường tổng thể quá nóng—hầu như không có sự giảm nhiệt độ đáng chú ý nào.'

Tự kiểm tra lần thứ tư:Phần cuối của tấm than chì có kết nối với 'bề mặt làm mát đáng tin cậy' không?

III. Danh sách tự kiểm tra dành cho kỹ sư

Nếu bạn có một dự án trong đó 'các tấm than chì được áp dụng nhưng không có tác dụng', hãy thực hiện bốn bước sau:

Lớp vật liệu

Độ dẫn nhiệt và độ dày của tấm than chì có phù hợp với những hạn chế về năng lượng và của dự án không?

Thiết kế đường dẫn nhiệt

Tấm than chì có kết nối điểm nóng với vỏ/tản nhiệt bằng kim loại mà không bị 'vỡ' không?

Chất lượng trái phiếu

Độ phẳng bề mặt của các bộ phận/vỏ và cấu trúc nén có được thiết kế phù hợp không? Có hiện tượng treo, cong vênh hoặc sai lệch vị trí sau khi dán không?

Điều kiện biên

Luồng không khí và nhiệt độ vỏ bên trong thiết bị có cho phép khu vực này thực sự 'hạ nhiệt' không? Kết nối cuối cùng với bề mặt làm mát bằng kim loại hay bộ phận 'quá tải'?

Trong hầu hết các trường hợp, tấm than chì không phải là 'vô dụng'—một hoặc hai trong bốn bước này thường không được thực hiện đúng cách.

IV. Tại sao phải thu hút các nhà cung cấp 'Ngay từ đầu' cho một số dự án?

Ở trên bao gồm các nguyên tắc chung. Để triển khai thực tế, nhiều công ty hiện chọn thu hút sớm các nhà cung cấp vật liệu + giải pháp vào các dự án thay vì thử nghiệm vật liệu một cách riêng biệt.

Lấy một ví dụ tiêu biểu về ngành: Jiangxi Dasen Technology Co., Ltd. (DSN)

Nó cung cấp ba khả năng chính:

Phạm vi vật liệu bao gồm các loại tấm than chì dẫn nhiệt khác nhau.

Đối với thiết bị điện tử tiêu dùng, nguồn điện, năng lượng mới và các ứng dụng khác, nó cung cấp các tấm than chì có độ dẫn nhiệt, độ dày và độ linh hoạt khác nhau. Đối với các dự án có độ nhạy cảm về điện, và chi phí khác nhau, nó sẽ cân bằng giữa 'đủ' và 'hiệu suất cao' thay vì cách tiếp cận một kích cỡ phù hợp cho tất cả.

Hỗ trợ giải pháp để cùng tối ưu hóa 'đường dẫn nhiệt'Nhiều kỹ sư báo cáo rằng việc giao tiếp với các nhà cung cấp như vậy không chỉ bao gồm việc trích dẫn các kích thước—họ còn cộng tác để thảo luận:

Vị trí nguồn nhiệt và công suất gần đúng;

Các thành phần/vỏ kim loại có thể tiếp cận được;

Các khu vực thích hợp và không phù hợp để ứng dụng tấm than chì;

Cần có lớp keo/cách nhiệt và cấu trúc cán màng tối ưu.

Điều này giải quyết bốn yếu tố chính ('Vật liệu, Đường dẫn, Tiếp xúc, Ranh giới') đã đề cập trước đó, với đội ngũ có kinh nghiệm về tấm than chì và quản lý nhiệt giúp xác định trước các vấn đề tiềm ẩn.

Năng lực sản xuất hàng loạt từ lô nhỏ đến lô lớn

Theo thông tin công khai, chỉ riêng năng lực sản xuất than chì nhân tạo hàng tháng của DSN đã đạt khoảng 700.000 mét vuông, với nhiều chứng nhận về hệ thống quản lý môi trường và chất lượng. Điều này có nghĩa là:

Nó có thể đáp ứng cả nhu cầu xác minh lô nhỏ và sản xuất hàng loạt quy mô lớn theo quy mô dự án;

Nó có kinh nghiệm trưởng thành về độ chính xác kích thước, dung sai, tỷ lệ năng suất và thời gian thực hiện.

V. Làm tấm than chì 'Thật sự hữu ích'

Quay lại câu hỏi ban đầu: Tại sao việc sử dụng các tấm than chì làm mát một số dự án hơn 10°C trong khi những dự án khác hầu như không có thay đổi gì?

Câu trả lời có thể tóm tắt trong một câu:

Chọn vật liệu phù hợp, đảm bảo đường truyền nhiệt không bị cản trở, tiếp xúc chặt chẽ và kết nối với bề mặt làm mát đáng tin cậy.

Nếu bốn bước này được thực hiện đúng cách, các tấm than chì dẫn nhiệt có thể giảm nhiệt độ một cách hiệu quả trong các sản phẩm có công suất cao, bị giới hạn về — giải quyết các vấn đề như 'các thử nghiệm lão hóa ở nhiệt độ cao không thành công' và 'nhiệt độ đỉnh cao quá mức'.'

Nếu bạn hiện có một dự án liên quan đến:

Bo mạch, bộ cấp nguồn, thiết bị điện tử trên bo mạch hoặc BMS lưu trữ năng lượng;

Công suất vừa phải đến cao với các điểm nóng dao động liên tục từ 80–100°C;

Không gian hạn chế, không có kế hoạch sửa đổi khuôn mẫu hoặc tái cấu trúc ngay lập tức;

Hãy xem xét: Đầu tiên, hãy tổng hợp các chi tiết như thông số nguồn điện, sơ đồ kết cấu và phạm vi độ dày cho phép.

Sau đó, hãy tham khảo ý kiến ​​của nhà cung cấp như Jiangxi Dasen, nơi cung cấp cả tấm than chì dẫn nhiệt và hỗ trợ kỹ thuật quản lý nhiệt.

Giải pháp tấm than chì được tối ưu hóa hơn có thể mở ra một 'đường dẫn nhiệt' bổ sung cho dự án của bạn.